CN109272829B - 一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，所述智能交互设备包括发射模块、感应模块、拍摄模块、显示模块、电源装置，发射模块分别与感应模块和拍摄模块相连，拍摄模块与显示模块相连，电源装置与发射模块、感应模块、拍摄模块、显示模块之间为电性连接，通过发射模块和感应模块实现投币、回收硬币的过程，拍摄模块包括摄像机、实时跟踪单元、对焦单元、图像分析单元、坐标成像单元拍摄模块和显示模块对投币过程记录、计算，合成虚拟画面，通过完全模拟投币概率事件的过程，将实体和虚拟相结合，提高概率事件的交互体验，直观地演示出概率相关规律，提高实验的乐趣。

Description

一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备

技术领域

本发明属于高等数学概率技术领域，具体涉及一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备。

背景技术

随着我国经济实力的不断壮大，越来越迫切的需要一批水平高、技能强的高素质创新型人才。同时，以计算机为中心的信息技术的发展，迫切需要打破传统教育模式，实现教育技术现代化。目前的实验教育，普遍存在学时少、内容多、学生多等因素，学生不能充分学习和掌握实验内容。作为学生来说，课堂学习是学习的主要方式，教师通过课堂教学方式将知识讲授给学生。概率与统计是数学教学的基本内容之一，是近代数学的重要组成部分，概率论所涉及的内容丰富，知识点多，其抽象性导致学生不能很好的理解，教师通过黑板书写授课的方式给学生们讲解，学生不能很好地理解透彻，而通过电子课件辅导教学，依旧没有脱离枯燥的讲解知识点和大量做习题这些老套的过程。

目前还没有一种直观便捷的概率与数据统计辅助性教学设备，教师在进行概率教学时通常依靠理论进行阐述，或者用抛硬币、掷骰子来进行简单的概率统计，简单的抛硬币、掷骰子可能只是随手模拟最多几十次，不能够更加直观地演示出概率相关规律，降低学生学习效率，并且现有的辅助性教学设备，大多数是统计者通过手动抛硬币、掷骰子方式进行数据记录，重复多次，实验体验不完整，容易使学生的学习注意力降低，不能很好地对概率事件形象模拟而直观了解其规律，使教学不能达到理想的效果。

总之，现急需一种能够增加概率事件的趣味性，使学生能够直观明了与概率事件设备交互体验，了解其规律，提高实验的乐趣和学生学习效率的概率教学设备。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备。

本发明的技术方案为：一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，所述智能交互设备包括发射模块、感应模块、拍摄模块、显示模块、电源装置，发射模块分别与感应模块和拍摄模块相连，拍摄模块与显示模块相连；

所述发射模块包括发射装置、弹射器、电动伸缩杆、放置架、开口，所述发射装置位于智能交互设备左前端，所述弹射器位于发射装置内部上端左侧内壁，弹射器水平方向左端设有气压箱，所述气压箱内设有执行器，气压箱体右端设有调节杆，所述电动伸缩杆纵向固定设置在发射装置内，电动伸缩杆上设有套管，所述放置架通过所述套管设置在电动伸缩杆上，放置架左端面均设有接收器，所述开口有两个，分别开设在发射装置右侧的上下两端，发射装置左侧内壁与两个开口水平相对的方向均设有发射器，通过发射器和接收器的信号匹配实现放置架的位置固定；

所述感应模块包括投币腔、传感底板、滑轨、推拉板、放置槽、调节板，所述投币腔位于智能交互设备右端，所述传感底板均匀设置在投币腔底部，传感底板包括压力感应器和信息发射单元，所述滑轨有两个，分别位于投币腔前后两侧内壁下方，所述推拉板位于投币腔右端内壁下方，推拉板包括电机一和信号接收器一，推拉板与滑轨为滑动连接，所述放置槽位于发射装置下端，所述调节板有两个，分别位于放置槽的前后两端，调节板包括电机二和信号接收器二，调节板与放置槽内壁为滑动连接；

所述拍摄模块包括摄像机、实时跟踪单元、对焦单元、图像分析单元、坐标成像单元，所述摄像机有四个，分别位于投币腔上方四角处，所述实时跟踪单元用于对投币腔内的物体进行实时跟踪拍摄，所述对焦单元用于对投币腔内拍摄的画面进行实时对焦拍摄，所述图像分析单元用于对对焦拍摄好的画面进行定位校正处理，所述坐标成像单元用于对摄像得到的画面进行坐标合成处理；

所述显示模块包括显示屏和主机，所述显示屏与所述主机相连，主机包括MCU主控单元、数据转换与处理单元、信息分析单元、信息存储单元，所述显示屏用于对处理好的坐标画面显示，所述数据转换与处理单元用于对坐标合成的画面信号进行转化，所述信息分析单元用于对转化后的信号分析，通过显示屏显示，信息存储单元用于对转化后的信息进行存储；

所述电源装置与发射模块、感应模块、拍摄模块、显示模块供电。

进一步地，发射装置外壁之间设有条形指示灯，所述条形指示灯与所述放置架位置相关联，条形指示灯为多种颜色，用于对放置架的位置实时了解，便于观察放置架在电动伸缩杆的位置情况。

进一步地，拍摄模块还包括像素处理单元，所述像素处理单元用于对合成后的坐标画面通过滤波处理，并对滤波后的坐标画面信号获取像素矩阵，进行去噪、分割处理，确定边缘失真点，进行优化补偿，防止画面信号传输之间出现失真，能够更好保证拍摄的画图的清晰性。

进一步地，显示模块还包括身份验证单元，用于对个人信息进行分析、登记、记录，将记录好的个人信息结果通过单片机传输到总控制器，用于在老师考核时，能够对个人位置、信息进行确定，实时了解学生的情况。

进一步地，智能交互设备还包括交互监测模块，所述交互监测模块通过交互界面与所述智能交互设备相连，便于老师对学生的实验情况进行实时监控，并对所做的概率实验讲解，实现交互，便于教师与学生之间的信息交谈。

进一步地，主机设有信息执行单元，用于检测硬币的正反面，反映出当前的概率变化情况，形成的虚拟图像直观对概率事件了解。

进一步地，信息存储单元通过协调对每个概率事件的实验数据进行关联、比对和统计，得出分析结果，得出概率事件的变化规律进行记录，并与实际数据进行统计分析，更加有利于教学指导，对概率事件能够形象的表达和阐述。

一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备的方法，包括以下步骤：

S1：进行试验时，主机控制电动伸缩杆使放置架向上移动，放置架上的接收器接收到发射装置下端的发射器与接收器的信号，进而停止向上移动，执行器接收到放置架向上移动停止指令，对气压箱发出指令，气压箱带动弹射器，推动调节杆将放置架内的硬币从发射装置上端的开口弹射出去，摄像机开始工作；主机控制电动伸缩杆使放置架向下移动，放置架上的接收器接收到发射装置下端的发射器与接收器的信号，进而停止向下移动；

S2：硬币在投币腔做下落运动，实时跟踪单元对硬币跟踪拍摄，对焦单元控制摄像机拍摄硬币时不断调焦对焦，将调焦对焦后的拍摄画面通过图像分析单元进行定位校正，当校正过程中，坐标成像单元进行画面与坐标合成处理，形成坐标合成的画面信号，再将形成的坐标合成的画面信号上传到主机；

S3：对坐标合成的画面信号通过数据转换与处理单元转化，然后对转化后的信号进行分析和存储处理，将处理好的坐标画面通过显示屏显示，同时下落的硬币接触传感底板，摄像机对传感底板上硬币的正反面状态进行拍摄，再上传到主机，传感底板内的压力感应器感应硬币，将硬币接触信号通过信息发射单元发射到信号接收器一，推拉板通过电机一带动在滑轨上滑动，将硬币推送到下端的开口的放置槽中，信号接收器二接收到硬币推送到放置槽的信号，然后调节板通过电机二带动在放置槽上滑动，将硬币放入到放置架上；

S4：放置架接收硬币，主机控制电动伸缩杆使放置架向上移动，放置架上的接收器接收到发射装置上端的发射器的信号，进而停止向上移动，将放置架进行固定，执行器接收到放置架向上移动停止指令，对气压箱发出指令，气压箱带动弹射器，推动调节杆将放置架内的硬币从上端的开口弹射出去；主机控制电动伸缩杆使放置架向下移动，放置架上的接收器接收到发射装置下端的发射器的信号，进而停止向下移动；通过放置架上下移动，实现投掷硬币，显示屏对每次硬币的投掷画面和正反面情况进行记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本设备通过发射装置的实体投币概率实验，结合拍摄模块和显示模块对投币过程实时模拟，在显示屏中合成虚拟成像画面，在进行投币概率事件中，通过投币的次数、正反面等方面获取实体的交互体验，进而提高了实验的用户体验，能够与投币概率事件实现实体和虚拟相结合，提高概率事件的交互体验，虚拟投币概率事件过程，进行记录，更加直观地演示出概率相关规律，提高实验的乐趣。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视示意图；

图2是本发明的系统框图；

图3是本发明的发射装置与感应模块的平面结构示意图。

其中，1-发射模块、11-发射装置、12-弹射器、121-气压箱、122-调节杆、13-电动伸缩杆、14-放置架、141-套管、142-发射器、143-接收器、15-开口、2-感应模块、21-投币腔、22-传感底板、23-滑轨、24-推拉板、25-放置槽、26-调节板、3-拍摄模块、31-摄像机、32-实时跟踪单元、33-对焦单元、34-图像分析单元、35-坐标成像单元、36-像素处理单元、4-显示模块、41-显示屏、42-主机、421-MCU主控单元、422-数据转换与处理单元、423-信息分析单元、424-信息存储单元。

具体实施方式

实施例：

一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，包括发射模块1、感应模块2、拍摄模块3、显示模块4、电源装置，发射模块1分别与感应模块2和拍摄模块3相连，拍摄模块3与显示模块4相连；

发射模块1包括发射装置11、弹射器12、电动伸缩杆13、放置架14、开口15，发射装置11位于智能交互设备左前端，发射装置11外壁之间设有条形指示灯，条形指示灯与放置架14位置相关联，条形指示灯为多种颜色，用于对放置架14的位置实时了解，弹射器12位于发射装置11内部上端左侧内壁，弹射器12水平方向左端设有气压箱121，气压箱121内设有执行器，气压箱121体右端设有调节杆122，电动伸缩杆13纵向固定设置在发射装置11内，电动伸缩杆13上设置有套管141，放置架14通过套管141设置在电动伸缩杆13上，放置架14左端面均设有接收器143，开口15有两个，分别开设在发射装置11右侧的上下两端，发射装置11左侧内壁与两个开口15水平相对的方向均设有发射器142，通过发射器142和接收器143的信号匹配实现放置架14的位置固定；

感应模块2包括投币腔21、传感底板22、滑轨23、推拉板24、放置槽25、调节板26，投币腔21位于智能交互设备右端，传感底板22均匀设置在投币腔21底部，传感底板22包括压力感应器和信息发射单元，滑轨23有两个，分别位于投币腔21前后两侧内壁下方，推拉板24位于投币腔21右端内壁下方，推拉板24包括电机一和信号接收器一，推拉板24与滑轨23为滑动连接，放置槽25位于发射装置11下端，调节板26有两个，分别位于放置槽25的前后两端，调节板26包括电机二和信号接收器二，调节板26与放置槽25内壁为滑动连接；

拍摄模块3包括摄像机31、实时跟踪单元32、对焦单元33、图像分析单元34、坐标成像单元35，摄像机31有四个，分别位于投币腔21上方四角处，实时跟踪单元32用于对投币腔内的物体进行实时跟踪拍摄，对焦单元33用于对投币腔21内拍摄的画面进行实时对焦拍摄，图像分析单元34用于对对焦拍摄好的画面进行定位校正处理，坐标成像单元35用于对摄像得到的画面进行坐标合成处理，拍摄模块3还包括像素处理单元36，像素处理单元36用于对合成后的坐标画面通过滤波处理，并对滤波后的坐标画面信号获取像素矩阵，进行去噪、分割处理，确定边缘失真点，进行优化补偿，防止画面信号传输之间出现失真；

显示模块4包括显示屏41和主机42，显示屏41与主机42相连，主机42包括MCU主控单元421、数据转换与处理单元422、信息分析单元423、信息存储单元424，显示屏41用于对处理好的坐标画面显示，数据转换与处理单元422用于对坐标合成的画面信号进行转化，信息分析单元423用于对转化后的信号分析，通过显示屏41显示，信息存储单元423用于对转化后的信息进行存储，主机42设有信息执行单元，用于检测硬币的正反面，反映出当前的概率变化情况，信息存储单元423通过协调对每个概率事件的实验数据进行关联、比对和统计，得出分析结果，得出概率事件的变化规律进行记录，并与实际数据进行统计分析，更加有利于教学指导，对概率事件能够形象的表达和阐述，显示模块4还包括身份验证单元，用于对个人信息进行分析、登记、记录，将记录好的个人信息结果通过单片机传输到总控制器，用于在老师考核时，能够对个人位置、信息进行确定；

电源装置与发射模块1、感应模块2、拍摄模块3、显示模块4供电；

智能交互设备还包括交互监测模块，交互监测模块通过交互界面对所述智能交互设备相连，便于老师对学生的实验情况进行实时监控，并对所做的概率实验讲解，实现交互。

一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备的方法，包括以下步骤：

S1：进行试验时，主机42控制电动伸缩杆13使放置架14向上移动，放置架14上的接收器143接收到发射装置11上端的发射器142与接收器143的信号，进而停止向上移动，执行器接收到放置架14向上移动停止指令，对气压箱121发出指令，气压箱121带动弹射器12，推动调节杆122将放置架14内的硬币从发射装置11上端的开口15弹射出去，摄像机31开始工作；主机42控制电动伸缩杆13使放置架14向下移动，放置架14上的接收器143接收到发射装置11下端的发射器142与接收器143的信号，进而停止向下移动；

S2：硬币在投币腔21做下落运动，实时跟踪单元32对硬币跟踪拍摄，对焦单元33控制摄像机31拍摄硬币时不断调焦对焦，将调焦对焦后的拍摄画面通过图像分析单元34进行定位校正，当校正过程中，坐标成像单元35进行画面与坐标合成处理，形成坐标合成的画面信号，再将形成的坐标合成的画面信号上传到主机42；

S3：对坐标合成的画面信号通过数据转换与处理单元422转化，然后对转化后的信号进行分析和存储处理，将处理好的坐标画面通过显示屏41显示，同时下落的硬币接触传感底板22，传感底板22内的压力感应器感应硬币，摄像机31对传感底板22上硬币的正反面状态进行拍摄，再上传到主机42，将硬币接触信号通过信息发射单元发射到信号接收器一，推拉板24通过电机一带动推拉板24两侧的滑轮在滑轨23上滑动，将硬币推送到下端的开口15的放置槽25中，信号接收器二接收到硬币推送到放置槽25的信号，然后调节板26通过电机二带动调节板26两侧的滑轮在放置槽25上滑动，将硬币放入到放置架14上；

S4：放置架14接收硬币，主机42控制电动伸缩杆13使放置架14向上移动，放置架14上的接收器143接收到发射装置11上端的发射器142的信号，进而停止向上移动，将放置架14进行固定，执行器接收到放置架14向上移动停止指令，对气压箱121发出指令，气压箱121带动弹射器12，推动调节杆122将放置架14内的硬币从上端的开口15弹射出去；主机42控制电动伸缩杆13使放置架14向下移动，放置架14上的接收器143接收到发射装置11下端的发射器142的信号，进而停止向下移动；通过放置架14上下移动，实现投掷硬币，显示屏41对每次硬币的投掷画面和正反面情况进行记录。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，其特征在于，所述智能交互设备包括发射模块(1)、感应模块(2)、拍摄模块(3)、显示模块(4)、电源装置，发射模块(1)分别与感应模块(2)和拍摄模块(3)相连，拍摄模块(3)与显示模块(4)相连；

所述发射模块(1)包括发射装置(11)、弹射器(12)、电动伸缩杆(13)、放置架(14)、开口(15)，所述发射装置(11)位于智能交互设备左前端，所述弹射器(12)位于发射装置(11)内部上端左侧内壁，弹射器(12)水平方向左端设有气压箱(121)，所述气压箱(121)内设有执行器，气压箱(121)体右端设有调节杆(122)，所述电动伸缩杆(13)纵向固定设置在发射装置(11)内，电动伸缩杆(13)上设有套管(141)，所述放置架(14)通过所述套管(141)设置在电动伸缩杆(13)上，放置架(14)左端面均设有接收器(143)，所述开口(15)有两个，分别开设在发射装置(11)右侧的上下两端，发射装置(11)左侧内壁与两个开口(15)水平相对的方向均设有发射器(142)，通过发射器(142)和接收器(143)的信号匹配实现放置架(14)的位置固定；

所述感应模块(2)包括投币腔(21)、传感底板(22)、滑轨(23)、推拉板(24)、放置槽(25)、调节板(26)，所述投币腔(21)位于智能交互设备右端，所述传感底板(22)均匀设置在投币腔(21)底部，传感底板(22)包括压力感应器和信息发射单元，所述滑轨(23)有两个，分别位于投币腔(21)前后两侧内壁下方，所述推拉板(24)位于投币腔(21)右端内壁下方，推拉板(24)包括电机一和信号接收器一，推拉板(24)与滑轨(23)为滑动连接，所述放置槽(25)位于发射装置(11)下端，所述调节板(26)有两个，分别位于放置槽(25)的前后两端，调节板(26)包括电机二和信号接收器二，调节板(26)与放置槽(25)内壁为滑动连接；

所述拍摄模块(3)包括摄像机(31)、实时跟踪单元(32)、对焦单元(33)、图像分析单元(34)、坐标成像单元(35)，所述摄像机(31)有四个，分别位于投币腔(21)上方四角处，所述实时跟踪单元(32)用于对投币腔内的物体进行实时跟踪拍摄，所述对焦单元(33)用于对投币腔(21)内拍摄的画面进行实时对焦拍摄，所述图像分析单元(34)用于对对焦拍摄好的画面进行定位校正处理，所述坐标成像单元(35)用于对摄像得到的画面进行坐标合成处理；

所述显示模块(4)包括显示屏(41)和主机(42)，所述显示屏(41)与所述主机(42)相连，主机(42)包括MCU主控单元(421)、数据转换与处理单元(422)、信息分析单元(423)、信息存储单元(424)，所述显示屏(41)用于对处理好的坐标画面显示，所述数据转换与处理单元(422)用于对坐标合成的画面信号进行转化，所述信息分析单元(423)用于对转化后的信号分析，通过显示屏(41)显示，信息存储单元(423)用于对转化后的信息进行存储；

所述电源装置与发射模块(1)、感应模块(2)、拍摄模块(3)、显示模块(4)供电。

2.如权利要求1所述的一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，其特征在于，所述发射装置(11)外壁之间设有条形指示灯，所述条形指示灯与所述放置架(14)位置相关联，条形指示灯为多种颜色，用于对放置架(14)的位置实时了解。

3.如权利要求1所述的一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，其特征在于，所述拍摄模块(3)还包括像素处理单元(36)，所述像素处理单元(36)用于对合成后的坐标画面通过滤波处理，并对滤波后的坐标画面信号获取像素矩阵，进行去噪、分割处理，确定边缘失真点，进行优化补偿，防止画面信号传输之间出现失真。

4.如权利要求1所述的一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，其特征在于，所述显示模块(4)还包括身份验证单元，用于对个人信息进行分析、登记、记录，将记录好的个人信息结果通过单片机传输到总控制器，用于在老师考核时，能够对个人位置、信息进行确定。

5.如权利要求1所述的一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，其特征在于，所述智能交互设备还包括交互监测模块，所述交互监测模块通过交互界面与所述智能交互设备相连，便于老师对学生的实验情况进行实时监控，并对所做的概率实验讲解，实现交互。

6.如权利要求1所述的一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备，其特征在于，所述主机(42)设有信息执行单元，用于检测硬币的正反面，反映出当前的概率变化情况。

7.一种大学数学教学概率事件趣味智能交互设备的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：进行试验时，主机(42)控制电动伸缩杆(13)使放置架(14)向上移动，放置架(14)上的接收器(143)接收到发射装置(11)上端的发射器(142)与接收器(143)的信号，进而停止向上移动，执行器接收到放置架(14)向上移动停止指令，对气压箱(121)发出指令，气压箱(121)带动弹射器(12)，推动调节杆(122)将放置架(14)内的硬币从发射装置(11)上端的开口(15)弹射出去，摄像机(31)开始工作；主机(42)控制电动伸缩杆(13)使放置架(14)向下移动，放置架(14)上的接收器(143)接收到发射装置(11)下端的发射器(142)与接收器(143)的信号，进而停止向下移动；

S2：硬币在投币腔(21)做下落运动，实时跟踪单元(32)对硬币跟踪拍摄，对焦单元(33)控制摄像机(31)拍摄硬币时不断调焦对焦，将调焦对焦后的拍摄画面通过图像分析单元(34)进行定位校正，当校正过程中，坐标成像单元(35)进行画面与坐标合成处理，形成坐标合成的画面信号，再将形成的坐标合成的画面信号上传到主机(42)；

S3：对坐标合成的画面信号通过数据转换与处理单元(422)转化，然后对转化后的信号进行分析和存储处理，将处理好的坐标画面通过显示屏(41)显示，同时下落的硬币接触传感底板(22)，摄像机(31)对传感底板(22)上硬币的正反面状态进行拍摄，再上传到主机(42)，传感底板(22)内的压力感应器感应硬币，将硬币接触信号通过信息发射单元发射到信号接收器一，推拉板(24)通过电机一带动在滑轨(23)上滑动，将硬币推送到下端的开口(15)的放置槽(25)中，信号接收器二接收到硬币推送到放置槽的信号，然后调节板(26)通过电机二带动在放置槽(25)上滑动，将硬币放入到放置架(14)上；

S4：放置架(14)接收硬币，主机(42)控制电动伸缩杆(13)使放置架(14)向上移动，放置架(14)上的接收器(143)接收到发射装置(11)上端的发射器(142)的信号，进而停止向上移动，将放置架(14)进行固定，执行器接收到放置架(14)向上移动停止指令，对气压箱(121)发出指令，气压箱(121)带动弹射器(12)，推动调节杆(122)将放置架(14)内的硬币从上端的开口(15)弹射出去；主机(42)控制电动伸缩杆(13)使放置架(14)向下移动，放置架(14)上的接收器(143)接收到发射装置(11)下端的发射器(142)的信号，进而停止向下移动；通过放置架(14)上下移动，实现投掷硬币，显示屏(41)对每次硬币的投掷画面和正反面情况进行记录。

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